Eine der zentralen Fragen bei der Gestaltung von Bohrfeldern lautet: “Was ist besser, ein einfaches oder ein doppeltes U-Rohr?” In diesem Artikel werden wir beginnen, dieses Rätsel ein für alle Mal zu lösen, indem wir die thermische Seite der Geschichte betrachten.
Einfach oder doppelt? Das ist die Frage
In der Welt der geothermischen Planung scheint es nur wenige Themen zu geben, die so heikel sind oder so viele Diskussionen auslösen wie die Frage, ob ein einfaches oder ein doppeltes U-Rohr verwendet werden soll. Sobald man beginnt, diese Frage zu beantworten, findet man sich in einem Kaninchenbau mit unterschiedlichen Standpunkten und einigen überraschenden Überlegungen wieder. Handelt es sich um thermische oder hydraulische Aspekte? Wie sieht es mit praktischen Aspekten oder innovativen Sonden aus? Können allgemeine Schlussfolgerungen gezogen werden?
In dieser dreiteiligen Serie werden wir diese Frage ein für alle Mal klären. Heute liegt der Schwerpunkt auf den thermischen Aspekten dieses Vergleichs. In den kommenden Wochen werden wir die hydraulischen und praktischen Elemente sowie einzigartige Sondenkonstruktionen wie den Separatus, den TurboCollector und konische Sonden wie die GEROtherm VARIO- und FLUX-Sonden behandeln.
Thermische Aspekte
Wenn wir über die thermischen Aspekte der Frage nach Einzel- oder Doppel-U-Rohren sprechen, müssen wir auf unsere Diskussion über den effektiven thermischen Bohrlochwiderstand zurückkommen (mehr dazu lesen Sie in unser themenspezifischer Artikel). Dieser Widerstand gibt an, wie leicht Wärme von der Flüssigkeit auf die Bohrlochwand und schließlich auf den Boden übertragen wird.
Ein guter effektiver thermischer Bohrlochwiderstand kann Ihnen auf zwei Arten zugute kommen:
- Sie können die Gesamtlänge des Bohrlochs reduzieren, wodurch Ihr System kostengünstiger wird.
- Sie können das Design beibehalten, aber mit weniger extremen Temperaturen arbeiten, was die Effizienz Ihres Systems verbessert und die Betriebskosten senkt.
Nachfolgend finden Sie eine grafische Darstellung der verschiedenen Elemente, die diesen Bohrlochwiderstand ausmachen.
Bei unserer Diskussion über Einzel- und Doppel-U-Rohre ist der wichtigste Faktor die konvektive Wärmeübertragung, insbesondere der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung. Der Leitungswiderstand zwischen Rohr und Mörtel ist ebenfalls wichtig, da ein Doppel-U-Rohr die doppelte Wärmeübertragungsfläche eines Einzel-U-Rohrs hat und sein Widerstand daher geringer ist.
In den folgenden Abschnitten werden einige wichtige thermische Aspekte erörtert:
- Der Einfluss der Art der Flüssigkeit (z. B. die Art des Frostschutzmittels)
- Der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit des Mörtels
- Gleichbleibende Leistung bei unterschiedlichen Durchflussraten
- Unterschiedliche Flüssigkeitseigenschaften
Einfluss der Art der Flüssigkeit
Das nachstehende Diagramm zeigt den effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs für ein einzelnes und ein doppeltes U-Rohr bei verschiedenen Durchflussraten. Wie Sie sehen können, zeigen beide Diagramme einen scharfen Cut-off an dem Punkt, an dem die Flüssigkeit von laminarer zu turbulenter Strömung übergeht (weitere Informationen hier). In dieser Übergangsphase nimmt der konvektive Anteil des Bohrlochwiderstands deutlich ab, wodurch auch der Gesamtwiderstand sinkt.
!Hinweis
Sofern nicht anders angegeben, werden in diesem Artikel ein DN32-Rohr, ein Bohrlochdurchmesser von 140 mm mit einer Länge von 100 m und ein Mörtel mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,5 W/(mK) angenommen.!Vorsicht
Die nachstehenden Diagramme sollten nicht als Konstruktionsrichtlinien betrachtet werden, da das Ergebnis auch von der Bohrlochtiefe, dem Bohrlochradius, der Rohrwandstärke, dem Rohrabstand und anderen Faktoren abhängt.
Aus dem obigen Diagramm ist ersichtlich, dass dieser Übergang beim einfachen U-Rohr bei der Hälfte der Durchflussmenge im Vergleich zum Doppel-U-Rohr erfolgt. Das liegt daran, dass der Durchfluss in einem Doppel-U-Rohr auf zwei Rohre aufgeteilt wird, während er in einer einzelnen Sonde nur durch ein Rohr fließt.
In diesem Fall gibt es ein Fenster (zwischen 0,25 und 0,45 l/s), in dem das Einzel-U-Rohr einen geringeren Bohrlochwiderstand aufweist und daher eine bessere thermische Leistung als sein Doppel-U-Gegenstück bietet.
Die Position dieses Fensters hängt stark von der Reynoldszahl ab, die sowohl von der Temperatur (siehe unten) als auch von der Art der Flüssigkeit beeinflusst wird. In der nachstehenden Grafik ist derselbe Vergleich für Wasser dargestellt. Aufgrund seiner günstigen Viskosität erreicht Wasser den turbulenten Zustand bei sehr geringen Durchflussraten.
In diesem Fall ist das Fenster, in dem ein einfaches U-Rohr besser abschneidet als ein doppeltes U-Rohr, sehr klein (<0,15 l/s) und in der Praxis fast nicht vorhanden. Daher kann man sagen, dass in der obigen Situation die doppelte Ausführung die einfache Sonde in Bezug auf die Leistung durchweg übertrifft.
Einfluss der Wärmeleitfähigkeit des Mörtels
Ein Aspekt, der vielleicht überrascht, ist, dass sogar die Wärmeleitfähigkeit des Mörtels in dieser Debatte eine Rolle spielt. Wie zu Beginn dieses Artikels erwähnt, ist der dritte Teil des Bohrlochwiderstandes der Leitwiderstand zwischen Rohr und Mörtel.
Da die Energie vom Rohr zur Bohrlochwand durch den Mörtel fließen muss, verbessert die Verwendung eines Mörtels mit höherer Leitfähigkeit (z. B. 2 W/(mK)) die Leistung des Systems. In der nachstehenden Abbildung wird dieselbe MPG-Flüssigkeit 25% wie oben verwendet, jedoch mit einer auf 1 W/(mK) reduzierten Wärmeleitfähigkeit des Mörtels, wodurch der Vorteil des einzelnen U-Rohrs verschwindet.
Der Grund dafür, dass es früher ein Fenster gab, in dem ein einfaches U-Rohr besser abschnitt als ein doppeltes U-Rohr, war die Verringerung des konvektiven Teils des effektiven thermischen Widerstands des Bohrlochs. Jetzt, da der Mörtel eine geringere Leitfähigkeit hat, spielt dieser Widerstand eine dominierende Rolle beim Gesamtwiderstand. Da ein einfaches U-Rohr nur die Hälfte der Wärmeübertragungsfläche eines Doppel-U-Rohrs hat, reicht der Übergang zur turbulenten Strömung nicht aus, um dieses Hindernis zu überwinden.
Gleichbleibende Leistung bei unterschiedlichen Durchflussraten
Heutzutage sind immer mehr Wärmepumpen modulierend, d.h. sie arbeiten mit einer variablen Durchflussmenge. In den obigen Diagrammen wird deutlich, dass in solchen Fällen die Doppel-U-Rohr-Konstruktion bei Betrieb im laminaren Bereich eine gleichmäßigere Leistung liefert, während das Einzel-U-Rohr aufgrund des Betriebs im instationären Bereich große Schwankungen des Bohrlochwiderstands aufweist. Obwohl ein einzelnes U-Rohr ein kleineres Bohrlochfeld ermöglichen könnte, ist die Leistung bei variablen Durchflussraten mit einem laminaren Doppel-U-Rohr besser, wenn die geplante Durchflussrate in dem Bereich liegt, in dem eine einzelne Sonde besser abschneidet als eine Doppelsonde.
!Hinweis
Modulierende Wärmepumpen spielen auch auf der hydraulischen Seite dieser Diskussion eine wichtige Rolle. Bleiben Sie dran für Teil 2 dieses Artikels, um alles darüber zu erfahren.
Unterschiedliche Flüssigkeitseigenschaften
Wie Sie sich vielleicht noch aus einer vorheriger Artikel, Die Eigenschaften des Fluids (und damit die Reynoldszahl und der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung) variieren mit der Temperatur. Ein Bohrlochfeld hat daher unterschiedliche Reynoldszahlen beim Aufheizen (d. h. Wärmeentzug) und beim Abkühlen (d. h. Wärmezufuhr). Um ein vollständigeres Bild zu erhalten, wird der Widerstand in der nachstehenden Grafik für MPG (25 v/v%) bei 0°C und 16°C als minimale bzw. maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur dargestellt.
Im obigen Diagramm wird deutlich, dass eine höhere Flüssigkeitstemperatur dazu führt, dass der Übergang zur turbulenten Strömung bei einer geringeren Durchflussrate erfolgt. Dies spielt auch in der vorliegenden Diskussion eine Rolle, da Bohrfelder entweder durch die maximale oder durch die minimale mittlere Flüssigkeitstemperatur begrenzt werden können (mehr dazu in unserem Artikel über die Bohrfeldquadranten).
Das obige Bohrfeld ist eindeutig durch die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 0°C begrenzt. Um diesen Entwurf zu verbessern, müssen wir daher entscheiden, ob wir ein einfaches oder ein doppeltes U-Rohr mit einer Referenztemperatur von 0°C verwenden. Aus dem obigen Diagramm (rote und orangefarbene Linien) geht hervor, dass bei einem Auslegungsdurchfluss zwischen 0,35 und 0,55 l/s das Einzel-U-Rohr einen geringeren Widerstand aufweist als das Doppel-U-Rohr und daher ein kleineres Bohrlochfeld möglich ist.
Das obige Bohrfeld ist dagegen eindeutig durch die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 16°C begrenzt. Um diesen Entwurf zu verbessern, müssen wir entscheiden, ob wir ein einfaches oder ein doppeltes U-Rohr mit einer Referenztemperatur von 16°C verwenden. Betrachtet man das obige Widerstandsdiagramm (blaue und grüne Linien), so stellt man fest, dass es ein Fenster zwischen 0,17 und 0,28 l/s gibt, in dem das Einzel-U-Rohr besser abschneidet als das Doppel-U-Rohr.
Fazit
Im obigen Artikel beleuchten wir die Frage: “Was ist besser, ein einfaches oder ein doppeltes U-Rohr?” aus thermischer Sicht. Es ist klar, dass es keine endgültige Antwort gibt, da das Ergebnis von der Flüssigkeitsmischung, der Temperatur und sogar der Wärmeleitfähigkeit des Mörtels abhängt. Um herauszufinden, welche Option für Ihr eigenes Projekt am besten geeignet ist, können Sie sich für eine genaue Simulation auf GHEtool verlassen.
Die thermischen Aspekte sind jedoch nur ein Teil der Diskussion. In unserem nächsten Artikel werden wir die hydraulischen Aspekte der Debatte um Einzel- oder Doppel-U-Rohre näher beleuchten.
Literaturverzeichnis
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